CN220821623U - 一种正极片和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电池技术领域，公开了一种正极片和锂离子电池。所述正极片包括集流体和分别设置于所述集流体两侧表面的第一活性层和第二活性层，所述第一活性层包括第一活性物质，所述第一活性物质的粒径D50为a，所述第二活性层包括第二活性物质，所述第二活性物质的粒径D50为b，a>b。本实用新型通过对正极片的结构设计，提升了电池的低温性能。本实用新型通过对正极片的结构设计，这种方式活化效果均匀，能够很好地解决低温性能。而且，大粒径的活性材料具有高能量密度的特点，将其设置在集流体的一侧表面，有利于提升电芯的能量密度。
Description
技术领域
本实用新型属于电池技术领域，涉及一种正极片和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池由于具有能量密度高、循环性能好、无记忆效应等优点被广泛应用于生产和生活的各个方面，尤其是近几年随着动力汽车的推广和应用，人们对锂离子电池的性能提出了更高更全面的要求，例如长循环性能、快充性能和低温性能等。
锂离子电池在低温条件下使用时，锂离子迁移速度变慢，导致电池的放电性能下降，而且，在低温条件下，电极材料的导电性也会下降，内阻增大，从而减小了电池的容量。
为了缓解低温条件下电池性能的下降问题，研究人员已经采取了多种方法来改善电池的低温性能。例如，可以通过调节电解液的配方来改善导电性和离子迁移速率，但是，该方法需要使用特殊的添加剂，增加了制备成本；又如，还可以通过引入外部加热装置对电芯进行加热，提升电芯的温度，从而达到活化的效果，从而解决低温性能差的问题，但是，这种方法存在着升温慢以及电芯内外温度分布不均的问题，导致电芯内部反应严重不均匀，影响电芯的寿命。再例如，还可以从电芯的角度，对电极片中的活性材料进行改性，对电解液的配方调整等多方面进行调整，但是，该方法需要涉及到的调整较大，不利于适配现有的生产工艺，大规模应用效果不佳。
因此，提供一种从极片设计的角度改善电池的低温性能，是亟待解决的技术问题。
实用新型内容
针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种正极片及锂离子电池。
第一方面，本实用新型提供一种正极片，所述正极片包括集流体和分别设置于所述集流体两侧表面的第一活性层和第二活性层，所述第一活性层包括第一活性物质，所述第一活性物质的粒径D50为a，所述第二活性层包括第二活性物质，所述第二活性物质的粒径D50为b，a>b。
以下作为本实用新型优选的技术方案，但不作为对本实用新型提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本实用新型的技术目的和有益效果。
优选地，所述集流体的厚度为10μm-15μm。
优选地，所述集流体为铝箔或涂炭铝箔。
优选地，所述涂炭铝箔包括铝箔基材以及覆盖所述铝箔基材两侧表面的碳层，所述碳层为石墨烯层，单侧厚度为250nm～500nm。
优选地，a为4μm-7μm，b为1μm-3μm。
作为本实用新型所述正极片的优选技术方案，a/b为2～5。
优选地，所述第一活性层的涂布面密度为25mg/cm2-35mg/cm2。
优选地，所述第一活性层的压实密度为2.5g/cm3-2.7g/cm3。
优选地，所述第二活性层的涂布面密度为15mg/cm2-20mg/cm2。
优选地，所述第二活性层的压实密度为2.1g/cm3-2.2g/cm3。
第二方面，本实用新型提供一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述正极采用如第一方面所述的正极片。
本实用新型所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本实用新型不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与已有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型通过对正极片的结构设计，这种方式活化效果均匀，能够很好地解决低温性能。而且，大粒径的活性材料具有高能量密度的特点，将其设置在集流体的一侧表面，有利于提升电芯的能量密度。
附图说明
图1是本实用新型中的正极片的结构示意图，其中，1-集流体，2-第一活性层，3-第二活性层。
图2是实施例1-6和对比例1-2的正极片组装的电池的-20℃能量保持率图。
图3是实施例1-6和对比例1-2的正极片组装的电池的-20℃放电温升图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
本实用新型在一个实施方式中提供一种正极片，所述正极片包括集流体1和分别设置于所述集流体1两侧表面的第一活性层2和第二活性层3，所述第一活性层2包括第一活性物质，所述第一活性物质的粒径D50为a，所述第二活性层3包括第二活性物质，所述第二活性物质的粒径D50为b，a>b。
本实用新型通过对正极片的结构设计，利用不同粒径的活性物质分别制备第一活性物质层和第二活性物质层，并将第一活性物质层和第二活性物质层分别设置在集流体的两侧表面，能够利用小粒径的活性物质高活性的特点，在电芯放电初始，小粒径的活性材料迅速活化，放出较多热量，热量利用具有集流体的传热性能间接地传递给大颗粒活性材料对其进行活化，这种方式活化效果均匀，能够很好地解决低温性能。而且，大粒径的活性材料具有高能量密度的特点，将其设置在集流体的一侧表面，有利于提升电芯的能量密度。
本实用新型实施方式通过对正极片的结构改进，无需改变电芯中其他部分的设计，有利于实现大规模应用。
在一个实施方式中，所述集流体的厚度为10μm-15μm，例如10μm、10.5μm、11μm、11.5μm、12μm、12.5μm、13μm、13.5μm、14μm、14.5μm或15μm等。
在一个实施方式中，所述集流体为铝箔或涂炭铝箔。
在一个实施方式中，所述涂炭铝箔包括铝箔基材以及覆盖所述铝箔基材两侧表面的碳层，所述铝箔基材的厚度为10μm-13μm，所述碳层为石墨烯层，单侧厚度为250nm～500nm，例如255nm、280nm、290nm、300nm、310nm、320nm、330nm、350nm、400nm或500nm等。在铝箔基材表面覆盖石墨烯层能够加快电子从集流体向活性材料的传输，同时石墨烯具有较好的导热性，可以将第二活性物质层反应产生的热量迅速传导至第一活性物质层，因此，可以有效提升电池的电化学性能。
本实用新型对碳层的形成方式不作限定，例如可以在铝箔基材的表面进行磁控溅射形成对应厚度的碳层。
在一个实施方式中，a为4μm-7μm，例如4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm或7μm等；b为1μm-3μm，例如1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.7μm、1.8μm、2μm、2.5μm或3μm等。
在一个实施方式中，a/b为2～5，例如2、2.1、2.3、2.4、2.5、2.6、2.8、3、3.3、3.5、3.6、3.8、4、4.2、4.4、4.6、4.8或5等。
在一个实施方式中，所述第一活性层的涂布面密度为25mg/cm2-35mg/cm2，例如25mg/cm2、27mg/cm2、28mg/cm2、30mg/cm2、31mg/cm2、32mg/cm2、33mg/cm2或35mg/cm2等。
在一个实施方式中，所述第一活性层的压实密度为2.5g/cm3-2.7g/cm3，例如2.5g/cm3、2.52g/cm3、2.55g/cm3、2.57g/cm3、2.6g/cm3、2.65g/cm3或2.7g/cm3等；所述第一活性层的压实密度为2.5g/cm3-2.7g/cm3。
在一个实施方式中，所述第一活性层中还包括第一导电剂和第一粘结剂，以所述第一活性层的总质量为100％计，第一活性物质的质量占比为93％-98％，例如93％、94％、94.5％、95％、96％、97％或98％等；第一导电剂的质量占比为1％-4％，例如1％、2％、2.5％、3％、3.5％或4％等；第一粘结剂的质量占比为1％-3％，例如1％、2％、2.5％或3％等。
在一个实施方式中，第一导电剂包括炭黑、碳纳米管或石墨烯中的至少一种，但并不限于上述列举的种类，其他本领域常用的导电剂也适用于本实用新型。
在一个实施方式中，第一粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，使用时，PVDF制备成为浓度为4％-8％的NMP溶液使用。
在一个实施方式中，所述第二活性层的涂布面密度为15mg/cm2-20mg/cm2，例如15mg/cm2、15.5mg/cm2、16mg/cm2、16.5mg/cm2、17mg/cm2、17.5mg/cm2、18mg/cm2、18.5mg/cm2、19mg/cm2、19.5mg/cm2或20mg/cm2等。
在一个实施方式中，所述第二活性层的压实密度为2.1g/cm3-2.2g/cm3，例如2.1g/cm3、2.12g/cm3、2.13g/cm3、2.15g/cm3、2.17g/cm3或2.2g/cm3等。
在一个实施方式中，所述第二活性层中还包括第二导电剂和第二粘结剂，以所述第二活性层的总质量为100％计，第二活性物质的质量占比为93％-98％，例如93％、94％、94.5％、95％、96％、97％或98％等；第二导电剂的质量占比为1％-4％，例如1％、2％、2.5％、3％、3.5％或4％等；第二粘结剂的质量占比为1％-3％，例如1％、2％、2.5％或3％等。
在一个实施方式中，第二导电剂包括炭黑、碳纳米管或石墨烯中的至少一种，但并不限于上述列举的种类，其他本领域常用的导电剂也适用于本实用新型。
在一个实施方式中，第二粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，使用时，PVDF制备成为浓度为4％-8％的NMP溶液使用。
在一个实施方式中，第一活性物质和第二活性物质均为磷酸铁锂。
本实用新型中，第一导电剂和第二导电剂的种类可以相同，也可以不同。
本实用新型中，第一粘结剂和第二粘结剂的种类可以相同，也可以不同。
本实用新型实施方式对正极片的制备方法不作限定，例如可以制备含有不同粒径的活性物质的正极浆料，分别涂覆在集流体的两侧表面，干燥后碾压，在集流体上形成第一活性层和第二活性层，得到正极片。
在一个实施方式中，正极片的制备方法包括以下步骤：
S101将包含第一活性物质的正极原料分散在溶剂中，得到第一正极浆料，其中，第一活性物质的粒径D50为a。
在一个实施方式中，包含第一活性物质的正极原料中还包括第一导电剂和第一粘结剂。
S201将包含第二活性物质的正极原料分散在溶剂中，得到第二正极浆料，其中，第一活性物质的粒径D50为b，a>b。
在一个实施方式中，包含第二活性物质的正极原料中还包括第二导电剂和第二粘结剂。
S301将第一正极浆料和第二正极浆料分别涂覆在集流体上，干燥后碾压，得到正极片。
在一个实施方式中，第一活性物质的比表面积为10m2/g-12m2/g，例如10m2/g、10.5m2/g、11m2/g、11.5m2/g或12m2/g等。
在一个实施方式中，第二活性物质的比表面积为13m2/g-15m2/g，例如13m2/g、13.5m2/g、14m2/g、14.5m2/g或15m2/g等。
本实用新型中，对涂覆的方式不作限定，可以是先在集流体的一侧表面涂覆第一浆料后干燥，得到第一活性层，而后在集流体的另一侧表面涂覆第二浆料后干燥，得到正极片。或者，还可以先在集流体的一侧表面涂覆第二浆料后干燥，得到第二活性层，而后在集流体的另一侧表面涂覆第一浆料后干燥，得到正极片。或者，还可以采用双面涂覆的方式，同时在流体的表面同时涂覆第一浆料和第二浆料，干燥后得到正极片。
本实用新型在另一个实施方式中提供一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述正极采用如上所述的正极片。
实施例1
本实施例提供一种正极片，所述正极片包括集流体和分别设置于所述集流体两侧表面的第一活性层和第二活性层，所述第一活性层包括第一活性物质，所述第一活性物质的粒径D50为a，所述第二活性层包括第二活性物质，所述第二活性物质的粒径D50为b，a＝4μm，b＝2μm，第一活性物质和第二活性物质的种类均为磷酸铁锂；
集流体为涂炭铝箔，包括铝箔基材以及覆盖所述铝箔基材两侧表面的碳层，所述铝箔基材的厚度为10μm，所述碳层为石墨烯层，所述碳层的单侧厚度为300nm；
第一活性层的涂布面密度为30mg/cm2，第一活性层的压实密度为2.7g/cm3；
所述第二活性层的涂布面密度为18mg/cm2，所述第二活性层的压实密度为2.1g/cm3。
实施例2
本实施例提供一种正极片，所述正极片包括集流体和分别设置于所述集流体两侧表面的第一活性层和第二活性层，所述第一活性层包括第一活性物质，所述第一活性物质的粒径D50为a，所述第二活性层包括第二活性物质，所述第二活性物质的粒径D50为b，a＝4.5μm，b＝1μm，第一活性物质和第二活性物质的种类均为磷酸铁锂；
集流体为涂炭铝箔，包括铝箔基材以及覆盖所述铝箔基材两侧表面的碳层，所述铝箔基材的厚度为12μm，所述碳层为石墨烯层，所述碳层的单侧厚度为300nm；
第一活性层的涂布面密度为32mg/cm2，第一活性层的压实密度为2.5g/cm3；
所述第二活性层的涂布面密度为16mg/cm2，所述第二活性层的压实密度为2.2g/cm3。
实施例3
本实施例提供一种正极片，所述正极片包括集流体和分别设置于所述集流体两侧表面的第一活性层和第二活性层，所述第一活性层包括第一活性物质，所述第一活性物质的粒径D50为a，所述第二活性层包括第二活性物质，所述第二活性物质的粒径D50为b，a＝6μm，b＝1.5μm，第一活性物质和第二活性物质的种类均为磷酸铁锂；
集流体为涂炭铝箔，包括铝箔基材以及覆盖所述铝箔基材两侧表面的碳层，所述铝箔基材的厚度为13μm，所述碳层为石墨烯层，所述碳层的单侧厚度为350nm；
第一活性层的涂布面密度为25mg/cm2，第一活性层的压实密度为2.65g/cm3；
所述第二活性层的涂布面密度为17mg/cm2，所述第二活性层的压实密度为2.15g/cm3。
实施例4
与实施例1的区别在于，将b调整为500nm，则a/b＝4/0.5＝8。
实施例5
与实施例1的区别在于，将涂炭铝箔替换为铝箔，铝箔的厚度为10μm。
实施例6
与实施例1的区别在于，第一活性层面密度为18mg/cm2，第二活化层面密度为30mg/cm2。
对比例1
与实施例1的区别在于，调整第一活性层和第二活性层的设置位置，具体的，正极片包括集流体和设置于所述集流体的一侧表面的第一活性层和第二活性层，第一活性层位于所述集流体和第二活性层之间。
对比例2
与实施例1的区别在于，与实施例1的区别在于，调整第一活性层和第二活性层的设置位置，具体的，正极片包括集流体和设置于所述集流体的一侧表面的第一活性层和第二活性层，第二活性层位于所述集流体和第一活性层之间。
采用对各个实施例和对比例提供的正极片组装成电池，具体方法为：
采用叠片工艺，利用上述的正极片组装锂离子电池，隔膜位于正极片和负极片之间，正极片为12片，负极片为13片。设计相对的正极活性层和负极活性层的N/P＝1.1，根据叠片方式选择合适面密度的负极片。
负极片的制备方法如下：
将羧甲基纤维素(CMC)溶解在水中，得到固含量为1.6％的CMC溶液，然后将部分水、部分CMC溶液和Super P加入搅拌设备进行搅拌，公转速度为35rpm，自转速度为3200rpm，时间为30min；然后将负极活性物质石墨分两次加入搅拌设备中进行搅拌，第一次加入石墨的搅拌时间为30min，公转速度为30rpm，自转速度为3200rpm，第二次加入石墨的搅拌时间为60min，公转速度为35rpm，自转速度为3200rpm。加入剩余的水和剩余的CMC溶液调节粘度，搅拌30min，公转速度为35rpm，自转速度为3500rpm，调整粘度2900mPa.s，细度20μm；最后加入全部的粘结剂SBR，公转速度为30rpm，自转速度为300rpm，搅拌60min，抽真空至-0.095MPa，负极浆料制备完成；
其中，石墨、SP、SBR和CMC的质量比为96％:1％:1.5％:1.5％。
使用转移式涂布机将制备好的负极浆料均匀涂敷在铜箔的两侧表面上，根据设计N/P＝1.1，涂布不同的涂布面密度，将涂布并充分干燥后的极片进行碾压，压实密度1.6g/cm3，得到负极极片，所述负极极片包括铜箔和位于所述铜箔两侧表面的负极活性层。
其余实施例和对比例的锂离子电池中，相对的正极活性层和负极活性层的N/P＝1.1，根据大颗粒活性层和小颗粒活性层的涂布面密度，来确定与之相对的负极活性层的涂布面密度。
测试：
在25℃恒流恒压充电至3.65V后，分别在25℃和-20℃环境中静置8h，1C放电至2V。
-20℃放电能量保持率＝-20℃放电能量/25℃放电能量。
-20℃电芯温升＝最高温度-(-20℃)。
结果参见表1、图2和图3。
表1
| a/b | -20℃能量保持率 | -20℃电芯温升/℃ | |
| 实施例1 | 2 | 55.7％ | 8.4 |
| 实施例2 | 4.5 | 62.6％ | 11.2 |
| 实施例3 | 4 | 60.4％ | 10.4 |
| 实施例4 | 8 | 53.7％ | 7.1 |
| 实施例5 | 2 | 51.1％ | 6.4 |
| 实施例6 | 2 | 45.3％ | 4.2 |
| 对比例1 | 2 | 44.6％ | 3.3 |
| 对比例2 | 2 | 46.8％ | 5.6 |
分析：
从测试结果看，将高能量密度的第一活化层与低极化的第二活化层分别涂敷于集流体两侧，在-20℃环境放电时，可以有效提升电芯的低温能量保持率。
对比例1-2将第一活化层与第二行活化层涂敷在集流体同一侧，电池的低温性能均差于实施例1，第一活化层在集流体与第二活化层之间时，电芯的能量保持率最低，这是由于集流体上电子产生的电场经过第一活化层分流，到达第二活化层时已经较少，导致第二活化层反应的锂离子脱嵌速率变缓，反应迟缓导致产热较少，无法更好的对第一活化层进行加热。将第二活化层涂敷于集流体与第一活化层之间时，第二活化层与集流体直接接触，可以迅速反应，产生的热量也可以直接传导至第一活化层，但第一活化层与集流体之间间隔第二活化层，电子的传导收到阻碍，因此反应也相对迟缓。实施例1将高能量密度的第一活化层与低极化的第二活化层分别涂敷于集流体两侧时，两活化层都直接与集流体接触，电子传导无阻碍；第二活化层极化较小的优势率先发生反应，产生的热量通过集流体直接传导至第一活化层，热量也基本无损失，因此可以充分发挥第二活化层对第一活化层的活化作用，大幅度提升电芯的低温性能。
通过实施例1与实施例6的对比可知，将第一活化层和第二活化层的面密度进行互换后，第二活化层因为较高的面密度，极化变大，反应相对迟缓，第一活化层虽然面密度较小，但自身的颗粒较大，极化仍较大，导致两活化层都无法充分反应，电芯的低温性能提升不明显。
上述实施例中，实施例2的电芯的低温能量保持率最高，说明使用此方案，优化两活化层颗粒的粒径更有利于提升电芯的低温性能。
通过实施例1与实施例4的对比可知，若活性颗粒过小，比表面积更大，反应过程中产生的热量可以更快的散出，热量损失较多，无法将更多的热量集中并传递给第一活化层，因此导致电芯整体温升的下降和能量保持率的下降。
申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的详细方法，但本实用新型并不局限于上述详细方法，即不意味着本实用新型必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。
Claims (9)
1.一种正极片，其特征在于，所述正极片包括集流体和分别设置于所述集流体两侧表面的第一活性层和第二活性层，所述第一活性层包括第一活性物质，所述第一活性物质的粒径D50为a，所述第二活性层包括第二活性物质，所述第二活性物质的粒径D50为b，a>b。
2.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述集流体的厚度为10μm-15μm。
3.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述集流体为铝箔或涂炭铝箔。
4.根据权利要求3所述的正极片，其特征在于，所述涂炭铝箔包括铝箔基材以及覆盖所述铝箔基材两侧表面的碳层，所述铝箔基材的厚度为10μm-13μm，所述碳层为石墨烯层，单侧厚度为250nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，a为4μm-7μm，b为1μ-3μm。
6.根据权利要求5所述的正极片，其特征在于，a/b为2～5。
7.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述第一活性层的涂布面密度为25mg/cm2-35mg/cm2，所述第一活性层的压实密度为2.5g/cm3-2.7g/cm3。
8.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述第二活性层的涂布面密度为15mg/cm2-20mg/cm2，所述第二活性层的压实密度为2.1g/cm3-2.2g/cm3。
9.一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，其特征在于，所述正极采用如权利要求1-8任一项所述的正极片。
Priority Applications (1)
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| CN202322304425.9U CN220821623U (zh) | 2023-08-25 | 2023-08-25 | 一种正极片和锂离子电池 |
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2023
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